Hvad er 3D-udskrivningsteknologi - Sådan fungerer det, applikationer og hindringer

Disse revolutionerende printere er i stigende grad synlige i vores hverdag:

• Guns. I 2013 designede, oprettede og udskrev den selvopkaldte “krypto-anarkist” Cody Wilson en plastikpistol via 3D-udskrivningsteknologi. Cody fyrede et skud og distribuerede CAD-filer til pistolen over internettet. Der var mere end 100.000 downloads, før den amerikanske regering lukkede webstedet. I maj 2014 blev Yoshitomo Imura arresteret i Japan for besiddelse af fem 3D-trykte kanoner.
• Kosmetik. På TechCrunch Disrupt-showet i New York City i maj 2014 demonstrerede Harvard MBA-kandidat Grace Choi Mink, en 3D-printer, der koster mindre end $ 200, der kombinerer FDA-godkendt blæk med en række forskellige underlag til at skabe enhver form for makeup, fra pulvere, til fløde, til læbestift. Ifølge Choi "tager store makeupfirmaer pigmentet og underlaget og blander dem sammen og løfter derefter prisen op. Vi gør det samme og lader dig få makeup i dit eget hus. ”
• Kropsdele. Ifølge en rapport fra 2013 fra TIME-magasinet, udskærer 3D-printere allerede kropsdele som ører og næser fra kropsceller. Mens det er tidligt stadigt, er teknologien lovende for kosmetisk og plastisk kirurgi.
• Mad. Massachusetts Institute of Technology har udviklet en 3D-printer til mad kaldet “Cornucopia”, og det franske kulinariske institut har brugt det Cornell-udviklede FabatHome til madlavning. Måske er fødevarereplikatorerne i rumalderen, der er afbildet i "Star Trek", ikke så langt i fremtiden, som vi måske tror.
• Forensics & Archaeology. I tv-showet "CSI: New York" bruges 3D-udskrivning til at replikere en kugle inde i en krop for at undgå operation. Arkæologer kan gentage skrøbelige artefakter til undersøgelse uden at skade de oprindelige uvurderlige genstande. For eksempel kunne besøgende på Discovery Time Square King Tut Exposition se en næsten identisk 3D-trykt kopi af mumien fra virksomheden Materialize.

Michelangelo forklarede engang, at hver stensten har en statue i sig, og det er skulpturens opgave at opdage den. Når kunstneren forstår det tredimensionelle billede, han søger, er hans opgave at omhyggeligt spåner det fremmede materiale ud for at afsløre den skjulte struktur. Hvis Michelangelo havde været i stand til at bruge en 3D-printer, ville hans kreative proces have været præcis det modsatte: Begyndende med intet og gradvist skabe sit mentale image ved at tilføje stof, indtil den form, han søgte, var komplet.

Sådan fungerer 3D-udskrivning

Udtrykket "3D-udskrivning" er en fejlnummer, da der ikke er nogen lighed med to-dimensionel udskrivning, hvorved der påføres blæk på papir. Processen ligner imidlertid udskrivning, idet resultatet er akkumulering af forskellige lag af materialer, der er anbragt i rækkefølge i forskellige former for at skabe et solidt tredimensionelt objekt. En mere nøjagtig beskrivelse ville være "additiv fremstilling", en anden metode til at skabe end traditionel fremstilling, der er baseret på fjernelse af fast materiale fra en større uformet masse.

Processen begynder med et computerstøttet design (CAD) eller en 3D-scanner til at omsætte en model til digitale tredimensionelle målinger. Ved hjælp af det valgte materiale (væske, pulver, papir eller arkmateriale) sættes flere tynde lag på plads og smeltes sammen ved opvarmning, hærdning, centrering, laminering eller fotopolymerisation for at gøre et enkelt samlet objekt.

3D-udskrivningsteknologi har udviklet sig i det sidste tredje århundrede; en 2014 Patent Insight Pro-rapport anførte ca. 2.635 patenter relateret til 3D-udskrivningsteknologi, der er udstedt siden begyndelsen af ​​1970'erne. Selv om hvert patent kan være specifikt med hensyn til dets krav og begrundelse for at garantere udstedelse af et patent, kan de generelt kategoriseres på baggrund af følgende:

• Teknologiproces identificeret. Der er i øjeblikket 33 forskellige processer, der bruges i 3D-udskrivning, lige fra fused deposition modellering (FDM) - en proces til opvarmning af termoplastiske materialer til en semi-væske tilstand, hvorefter ekstrudering af det lag for lag langs en computerstyret sti - til stereolitografi, en fremgangsmåde, hvor en ultraviolet laser hærder et lag flydende fotopolymer, når det hæves eller sænkes af en platform nedsænket i en tank med flydende polymer, der svarer til at påføre lag efter malingsbelægning, indtil de flere lag resulterer i den færdige del.
• Materialer specificeret i patentet. Indtil videre dækker de udstedte patenter 45 forskellige materialer, herunder keramik, ler, palladium, papir, gummi, sølv, titanium og voks.
• Brug eller anvendelse. Ved sidst tælling var der mindst 22 kommercielle anvendelser af 3D-udskrivning, herunder bygge-, forsvars- og fødevareindustrien.

Status for 3D-printerindustrien

Mange industriobservatører hævder, at den manglende penetration til massemarkeder indtil nu har været på grund af de forskellige patenter fra forskellige virksomheder og sandsynligheden for retssager om intellektuel ejendom. Enkelt sagt har virksomheder ikke brugt ressourcerne til at udnytte teknologien, fordi de er bange for at blive sagsøgt.

Denne konkurrencehindring har holdt nye deltagere ude af markedet og priserne høje; faktisk for høj til at støtte forbrugsapplikationer på massemarkedet. Med mange af de patenter, der dækker basalteknologi, der er udløbet i 2013 og mere for at udløbe i 2014 og 2015, er der sandsynligvis en eksplosion af nye produkter og en reduktion i udstyrsprissætning svarende til faldet i anden elektronisk hardware såsom fjernsyn, computere og mobiltelefoner. De lavere priser giver for første gang adgang til forbrugerne.

Ifølge Pete Basiliere, bly Gartner-analytiker af 3D-udskrivning, en tvingende forbrugerapplikation - noget, der kun kan oprettes derhjemme af en 3D-printer - vises i 2016 og har en lignende indflydelse på 3D-printere som regnearket til pc'en eller tilføjelse af et kamera til en mobiltelefon. En rapport fra Gridlogics Technologies projicerer, at teknologien bliver en massemarkedsgenstand, fordi den giver forbrugere mulighed for at erstatte eller oprette fælles husholdningsgenstande, der nu er produceret med traditionelle fremstillingsmetoder og inkluderer de dermed forbundne omkostninger til markedsføring, logistik og lagervedligeholdelse. Charles W. Hull, skaberen af ​​den første 3D-printer i midten af ​​1980'erne og medstifter og teknologisk chef for 3D Systems, forudsiger, at industrien vil være en forretning på $ 4,5 milliarder ved udgangen af ​​dette årti.

Anvendelser af 3D-udskrivning

Den fremtidige anvendelse af 3D-udskrivning opdages stadig. Følgende er kun nogle af de aktuelle applikationer, der i øjeblikket er i gang, og som sandsynligvis først vil blive i almindelig brug.

1. Medicinsk
Ifølge CNN bruges allerede 3D-printere af forskere til at udskrive små strimler af organvæv (bioaftryk) såvel som ansigtsvedhæng (ører og næser). Udskrevne organer som en nyre eller lever - det næste trin i udviklingen af ​​teknologien - kunne bruges oprindeligt til lægemiddel- og vaccinetest og i sidste ende producere tiltrængte organer til transplantationer.

Basiliere siger, "3D-bioprinterfaciliteter med evnen til at udskrive menneskelige organer og væv vil komme langt hurtigere end generel forståelse og accept af konsekvenserne af denne teknologi." Som svar hævder Mike Titsch, chefredaktør for 3D Printer World, ”Mange store medicinske gennembrud har lidt moralsk modstand fra organtransplantationer til stamceller. Vil kun de rige have råd til det? Leger vi Gud? I sidste ende er det at redde liv en tendens til at trumfe alle indvendinger. ”

2. Kunstige lemmer
Studerende fra Washington University udviklede en protesearm til en 13-årig pige, der havde mistet sit lem i en sejlsulykke. Selvom de ikke var så avancerede som andre proteser, var omkostningerne på $ 200 for materialer betydeligt under $ 6.000 omkostningerne ved lignende enheder, en faktor, der udelukker udbredt anvendelse i mange virksomheder.

Kylie Wicker fra Rockland, Illinois, født uden fingre på sin venstre hånd, modtog et driftssæt af 3D-trykte fingre af plast til en pris af $ 5 og designet af en gymnasiet ingeniørklasse. En canadisk professor arbejder på en 3D-udskrivningsproces for at få protetiske lemmer, der skal sendes til Uganda for ofre for deres vedvarende borgerkrig.

3. Mode
Mode har brugt 3D-udskrivning til at skabe visuelt forbløffende kjoler og tilbehør, der er præsenteret på landingsbanerne i New York Fashion Week 2013, såvel som en unik "røg" -kjole, der blev afsløret på Frankfurt International Motor Show 2013. Røgkjolen skaber automatisk et slør med røg, når nogen træder ind i det personlige rum for bæreren.

Lady Gaga havde verdens første flyvende kjole, Volantis, en anden 3D-trykt kjole, på ArtRave i 2013. Continuum tilbyder verdens første klar til brug, helt 3D-trykt bikini, N12, opkaldt efter det materiale, som det er lavet af: Nylon 12.

4. Prototyper og testmodeller
Oxfam International, en international konføderation af 17 organisationer, der arbejder for at finde praktiske, innovative måder for folk at løfte sig ud af fattigdom, samarbejdede med MyMiniFactory.com om at udvikle innovative design til at løse vandhygiejne i tredjelande. Design kan hurtigt udskrives, testes og modificeres, før de flyttes til masseproduktion. Selvom det stadig er tidligt i processen, mener sponsorerne, at hurtig test af nye enheder og efterfølgende ændringer, der er mulige med 3D-udskrivning, vil vise sig succesfulde i sådanne humanitære projekter som håndrensningsanordninger for de nuværende 2,4 millioner syriske flygtninge, der lever under overfyldte, usanitære forhold.

Den italienske opfinder Enrico Dini har udviklet en 3D-printer, kendt som D-Shape, som binder sandpartikler sammen for at skabe sedimentær sten. Printeren siges at tillade opførelse af en bygning fire gange hurtigere end konventionelle midler for halvdelen af ​​omkostningerne. Urbee, en hybridbil designet af Kor Ecologic, er en to-sæder, der får op til 200 miles pr. Gallon med en anslået omkostning på omkring $ 20.000, og er helt fremstillet ved 3D-udskrivning.

5. Personlig brug
Folk vil være i stand til at udskrive brugerdefinerede smykker, husholdningsartikler, legetøj og værktøjer uanset størrelse, form eller farve, de ønsker, samt være i stand til at udskrive reservedele derhjemme, snarere end at bestille dem og vente på, at de skal leveres . Ifølge forskningsfirmaet Strategi Analytics kunne hjemmets 3D-udskrivning udvikle sig til en $ 70 milliarder industri om året inden 2030.

3D-printere til mad kan endelig endelig løse problemet med at få børn til at spise deres grøntsager, da forældre vil have evnen til at forme dem til alle slags former. Måske kunne en finbørn overbevise sig om at spise rosenkål, hvis de var forberedt i form af en dinosaur.

Hindringer for 3D-udskrivning

Selv om løftet fra 3D-printere er stort, er der lige så betydelige hindringer, der skal overvindes, før det når forventningerne fra industriens talsmænd.

1. Mangel på enkle, billige forbrugerprintere
3D-printere, der sælger for mindre end $ 1.000, har begrænset kapacitet, kan være vanskelige at betjene, kan være upålidelige og kan kræve håndmontering for at bruge. Selv om disse mangler til sidst vil blive overvundet, kan det tage betydelig prøve og fejl og tid, før en overkommelig forbrugermodel er tilgængelig.

En artikel i 2013 i strategi + forretning bemærker, at "uanset hvor billig en 3D-printer bliver, vil et produktionsanlæg fortsat tilbyde stordriftsfordele i råmaterialerne til udskrivning af artefakten." Artiklen sætter også spørgsmålstegn ved, om en forbruger vil bruge en 3D-printer derhjemme til at fremstille en plastgaffel eller skakstykke, hvis han eller hun kan købe den fra den lokale Walmart.

2. Mangel på egnede materialer til udskrivning
Printere, der i øjeblikket er tilgængelige til forbrugerpriser ($ 2.500 og mindre) er afhængige af smeltet afsætningsmodelleringsteknologi og PLA- og ABS-plastik. Dette materiale er ikke robust og er begrænset i brugervenlighed. Eksperter mener, at den næste generation skal bruge kulstofkompositter og metaller, hvis det skal være nyttigt for den gennemsnitlige forbruger.

En artikel i 2014 i UK's The Telegraph skræmmer fortalere for den nye teknologi, der forkynder så lys fremtid, og bemærker, at selv succesrige hjemm 3D-printere "skaber modeller, der ser ud som om de har været tilbage på radiatoren et par timer." Forfatteren noterer sig, at selvom det hele er meget godt at uploade våbendele til Internettet, men uden midlerne til at gøre metal (en kapacitet forbruger 3D-printere endnu ikke har), ”er det mere sandsynligt, at du tager din arm af end skyde en kugle. ”

3. Behov for viden om CAD-design
Mens downloadbare filer til forskellige objekter er tilgængelige fra websteder som Thingiverse og Shapeways, er de generelt tekniske og er muligvis ikke kompatible med hver 3D-printer. På grund af markedsføringshypen omkring printerne, kan de blive afbildet som lettere at betjene end oplevelsen af ​​faktiske brugere.

Tom Meeks, som er bidragyder til bloggen til 3D-printerbrugere, bemærker parallellen mellem 3D-printere og Keurig kaffemaskinsystemet og vigtigheden af ​​forbrugerdesign og brugervenlighed og bemærker, at det tog Keurig 16 år at få den markedsaccept, den har i dag. Og det skal erkendes, at der er meget flere kaffedrikkere end potentielle 3D-printerbrugere. Marketingeksperter mener, at printerne skal være så enkle at betjene som konventionelle laser- eller prikmatrixprintere, hvis de skal finde bred accept.

4. Langsomt, rodet og potentielt farligt
Skriverne er perfekte til en-til-en-type eller komplicerede, dyre genstande, men printerne er for langsomme til masseproduktion. De anvendte materialer og deres emissioner under brug, især pulvere, kan være rodede og potentielt giftige. Endelig fungerer nuværende 3D-printere, der bruger PLA-plast ved meget høje temperaturer (220 til 230 grader). Selvom disse problemer ikke er uovervindelige, vil det tage tid og investeringer at overvinde.

Det endelige ord

Hvorvidt 3D-printere vil have indflydelse fra tv'et, computeren eller mobiltelefonen som forventet af dets fortalere er ukendt. Efterhånden som teknologien udvikler sig, er mulighederne og fordelene uendelige. Det er bestemt en teknologi, som en klar forbruger vil være opmærksom på og klar til brug, når den modnes og bliver et forbrugerprodukt.

Hvad synes du? Er du interesseret i at eje en 3D-printer?